Анализ и оптимизация САР частоты вращения вала двигателя постоянного тока

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И  НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ  ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО  ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СОЦИАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

КУРСКИЙ ИНСТИТУТ СОЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

(ФИЛИАЛ) РГСУ

 

Инженерно-технический  факультет

 

Кафедра информационных систем и информационного права

 

КУРСОВОЙ  ПРОЕКТ

 

КП.230102.65.03.61.13

по дисциплине: «Основы теория управления»

 

на тему: Анализ и оптимизация САР частоты вращения вала двигателя постоянного тока»

 

Вариант №1

 

 

 

Выполнил студентка 3 курса  специальности «Автоматизация систем управления» заочной формы обучения	Нелюбова Наталия Игоревна
Руководитель:  доцент	Краснокутская Любовь Николаевна
члены комиссии:
Профессор	Кониченко А.В.
Доцент	Краснокутская Любовь Николаевна

 

                  

Проект  защищен с оценкой

_______________

«__»_______20__г

 

 

Курск 2013г

 

Содержание

Введение………………………………………………………………………..2

1. Определение  элементов передаточных функций  САР……………….......5

1.1. Функциональная схема и принцип  действия САР……………………...5

1.2. Параметры и передаточные  функции элементов ………………………9

1.3. Построение, запуск и анализ  модели САР…………………………...…14

1.3.1. Построение структурной схемы САР…………………………………14

2. Оценка устойчивости и стабилизация  разомкнутой САР. 

Параметрическая оптимизация САР ………………………………………..15

2.1.  Стабилизация разомкнутой САР……………………………………….15

2.2. Предварительная коррекция замкнутой САР …………………………23

2.3. Структурно-параметрическая оптимизация  САР……………………..34

2.3.1. Определение настроечных параметров  ПИ-регулятора…………….34

3. Оценка качества САР……………………………………………………....37

3.1. Показатели качества установившегося режима……………………….40

3.3. САР осуществляет слежение  и стабилизацию………………………....41

Заключение…………………………………………………………………….43

Список использованных источников………………………………………...44

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Управление  объектом с помощью технических  средств без участия человека называется автоматическим управлением. Теория автоматического управления (ТАУ) это наука, которая изучает  процессы управления и проектирования систем автоматического управления, работающих по замкнутому циклу с  обратной связью. Совокупность объекта  управления и средств автоматического  управления называется системой автоматического  управления (САУ). Основной задачей  автоматического управления является поддержание определенного закона изменения одной или нескольких физических величин в объекте  управления.

Основные  задачи теории автоматического управления: 

• анализ устойчивости, свойств, динамических показателей  качества и точности САУ;

• синтез алгоритмов (аналитических выражений), описывающих САУ и обеспечивающих оптимальное качество управления;

• моделирование  САУ с использованием компьютеров  и универсальных либо специализированных (предметно-ориентированных) прикладных программ;

• проектирование САУ с использованием аппаратных средств вычислительной техники  и их программного обеспечения (средств  автоматизации программирования и  проч.).

Отметим, что проектирование, внедрение и  эксплуатация современных САУ подразумевает  тесное взаимодействие специалистов различных  профилей, и, в первую очередь, технологов, знающих «физические» особенности  управляемых процессов; специалистов по автоматическому управлению, обеспечивающих разработку САУ (алгоритмов управления и контроля), и специалистов по средствам  автоматизации программирования.

Теория управления – это наука, разрабатывающая и изучающая  методы и 

 

средства  систем управления и закономерности протекающих в них процессах. Предметом теории управления являются не только процессы материального производства, но и сферы деятельности человека: организационно-административное управление,  проектирование иконструирование, информационное обслуживание, здравоохранение, научные исследования, образование, и многие другие. Теория управления как научное направление сложилась в ХХ веке на базе теории автоматического регулирования, которая начала интенсивно развиваться в 19 веке в связи с потребностью в регуляторах, поддерживающих устойчивый режим работы внедрявшихся паровых машин в промышленности и на транспорте.

Современная теория управления занимает одно из ведущих  мест в технических науках и в  то же время относится к одной  из отраслей прикладной математики, тесно  связанной с вычислительной техникой. Теория управления на базе математических моделей позволяет изучать динамические процессы в автоматических системах, устанавливать структуру и параметры  составных частей системы для  придания реальному процессу управления желаемых свойств и заданного  качества. Она является фундаментом  для специальных дисциплин, решающих проблемы автоматизации управления и контроля технологических процессов, проектирования следящих систем и регуляторов, автоматического мониторинга производства и окружающей среды, создания автоматов  и робототехнических систем.

Основными задачами теории управления являются задачи анализа динамических свойств автоматических систем на модельном или физическом уровне, и задачи синтеза алгоритма управления, функциональной структуры автоматической системы, реализующей этот алгоритм, ее параметров и характеристик, удовлетворяющих требованиям качества и точности, а также задачи автоматического проектирования систем управления, создания и испытания автоматических систем.

 

В современных  условиях управление различного ряда технологическими и техническими процессами осуществляется, как правило, с использованием ЭВМ, получивших название управляющих  вычислительных машин. Проектирование систем управления, имеющих в своем  контуре ЭВМ, носит специфический  характер и невозможно без знания принципов и методов теории управления.

Управление  каким-либо объектом или процессом  есть целенаправленное воздействие  на него в целях установления требуемых  состояний объекта, изменения его  состояния в требуемом направлении  или удержания в заданном постоянном состоянии. Управление  должно обеспечивать целевое протекание технологических  процессов преобразования энергии, вещества и информации, поддержание  оптимальной работоспособности  и безаварийности функционирования объекта путем сбора и обработки  информации о состоянии объекта  и внешней среды, выработки решений  о воздействии на объект и их исполнении. В качестве объекта управления может  служить самолет, станок, электродвигатель и т.п. Управление объектом с помощью  технических средств без участия  человека называется автоматическим управлением. Совокупность объекта управления и  средств автоматического управления называется системой автоматического  управления.

 

 

1.Определение передаточных функций элементов САР «Вариант-1»

1.1. Функциональная схема и принцип действия САР

Система автоматического управления содержит следующие компоненты, обеспечивающие ее функционирование : объект управления ОУ (управляемый процесс); исполнительные устройства ИсУ; измерительные устройства ИзУ; устройство управления УУ.

Объектами управления технических систем служат кинематические механизмы, электрические  системы, тепловые, химические и другие технологические процессы. Состояние  объекта характеризуется переменными  состояния, к которым относятся  угловые и линейные координаты, скорости и другие механические переменные, описывающие движения кинематических механизмов; токи или напряжения электрических  элементов схемы; температуры и  плотности веществ в тепловых и химических процессах, и любые  другие физические величины. Переменные состояния объединяются в вектор состояния.

К регулируемым, или выходным, переменным y_j = y_j(t) относятся переменные ОУ, по отношению к которым формулируется основная задача управления. Выходные переменные объединяются в вектор выхода. Для кинематических механизмов вектор выхода обычно представлен декартовыми координатами рабочей точки механизма.

Входами ОУ являются управляющие органы, к  которым прикладываются воздействия  U_j исполнительных устройств ИсУ системы. Это входные оси кинематических механизмов, входные схемы электрических систем, нагревательные элементы и вентили тепловых и химических процессов, к которым приложены силы или моменты сил электроприводов, электрические напряжения и т. д., вызывающие движение (развитие) управляемого процесса.

 

Объекты с  одним входом и одним выходом  называются одноканальными. К многоканальным относят объекты с несколькими входами и/или выходами. Они могут иметь каналы, независимые или взаимозависимые друг от друга (многосвязные объекты).

К внешней  среде системы управления относятся  процессы, оказывающие влияние на поведение управляемого объекта. Среда  является источником помех измерения d_j(t), возмущающих воздействий f_j(t), внешних задающих воздействий.

К возмущающим относят воздействия, препятствующие функционированию объекта. Это могут быть силы сопротивления или трения для кинематических механизмов, температура окружающей среды для тепловых процессов и т. д. Возмущающие воздействия объединяются в вектор возмущений.

Измерительные устройства ИзУ (датчики) предназначены для получения информации об объекте и внешней среде (сигналов y'_j), т. е. для электрического измерения выходных переменных, переменных состояния и внешних задающих воздействий. Различают следующие типы измерительных устройств:

• датчики  внутренней информации, предназначенные  для измерения переменных объекта (системы управления);

• датчики  внешней информации (сенсоры, средства внешнего контроля) - измерители состояния  внешней среды либо положения  объекта по отношению к внешним объектам.

В состав измерительных устройств часто  включают также вычислительные блоки, осуществляющие первичную обработку информации.

Исполнительные  устройства ИсУ - это устройства, предназначенные для усиления маломощных управляющих сигналов u_j и создания энергетических воздействий U_j на входах объекта, т. е. управляемые

источники механической, электрической  или тепловой энергии (электропривод, преобразователь электрической  энергии в механическую, и т.п.).

Устройство  управления УУ - это блок, обрабатывающий полученную с помощью измерителей  текущую информацию о состоянии  объекта и внешней среды и  формирующий управляющие воздействия  u_j (информационные сигналы), поступающие на исполнительные устройства объекта. В функции устройства управления входит:

• идентификация  объекта и среды (анализ их текущего состояния и параметров);

• генерация  внутренних задающих воздействий;

• расчет управляющих воздействий u_j по предписанным формулам (алгоритмам).

Центральными  в теории управления являются понятия  управления и системы управления.

Управление - это такая организация того или иного процесса, которая обеспечивает достижение определенных целей. Это целенаправленное воздействие на управляемый объект (процесс), приводящее к заданному изменению его состояния или удержанию в заданном состоянии. Управление должно обеспечивать целевое протекание технологических процессов преобразования энергии, вещества и информации, поддержание оптимальной работоспособности и безаварийности функционирования объекта путем сбора и обработки информации о состоянии объекта и внешней среды, выработки решений о воздействии на объект и их исполнении. Процесс управления подразумевает наличие умения и способности создавать целенаправленное воздействие на объект.

Алгоритм управления, это инструкция о том, как добиваться поставленных задач (целей) управления в различных ситуациях.

 

 

Система управления – это множество взаимосвязанных элементов, участвующих в процессе управления.

Рассматриваемая САР- система автоматического регулирования частоты вращения вала двигателя постоянного тока независимого возбуждения.

Заданием  определена функциональная схема САР (рисунок 1). САР представляет собой  замкнутый контур главной обратной связи, который осуществляет управление по отклонению. В контуре имеется  и гибкая местная обратная связь, которая предназначена для стабилизации САР, способствует тому, чтобы САР  была достаточно устойчивой. Наличие  обратных связей в САР свидетельствует  о том, что система может быть и неустойчивой, поэтому анализ САР  должен включать оценку ее устойчивости и, при необходимости, выбор мер  и средств по ее стабилизации.

 

 

 

 

Рисунок 1 – исходная функциональная схема САР « Вариант – 1»

 

Объект  управления - двигатель постоянного  тока, управляемая величина - частота  вращения вала ДПТ. Система содержит контуры обратной связи. САР может  быть неустойчивой.